陶瓷拋光廢料制備超高性能混凝土的力學(xué)性能分析

1引言

超高性能混凝土（Ultra-HighPerformanceConcrete，簡稱UHPC）是一種采用高科技工藝制成的新型建筑材料，是近年來在水泥基工程材料領(lǐng)域的一項重大創(chuàng)新。與普通混凝土和高性能混凝土相比，UHPC除了常用的水泥、砂石及水外，還額外加入減水劑粉煤灰以及硅粉等高活性材料，并采用低水膠比，從而大大提高了混凝土的強度和耐久性能。較低的水膠比（0.15＼～0.25之間）提高了混凝土強度和耐久性，但是水泥的水化程度往往較低[。這就意味著有大量的水泥并沒有完全水化，這部分未水化的水泥實際上并沒有完全發(fā)揮其作用，既浪費了水泥資源，也增加了生產(chǎn)成本。工程實踐表明，科學(xué)地利用工業(yè)廢渣作為礦物摻合料，不僅可以降低水泥用量和生產(chǎn)成本，同樣在一定程度上也能改善混凝土的工作性、力學(xué)性能和耐久性。

陶瓷廢料作為一種工業(yè)廢棄物，具有高強度、高硬度以及穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)，為提升混凝土的力學(xué)性能、耐久性能等提供了可能。通過合理的配合比設(shè)計，可以實現(xiàn)混凝土性能的定制化，滿足不同工程需求。自前，已有許多研究探討了陶瓷廢料在混凝土中的應(yīng)用效果和影響因素。例如，研究表明陶瓷廢料摻人混凝王中可以顯著提升混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度2；同時，陶瓷廢料的摻入還可能對混凝土的毛細(xì)吸水性、氯離子滲透性等耐久性能產(chǎn)生影響。這些研究為陶瓷廢料在混凝土中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)。而將陶瓷廢料應(yīng)用到混凝土中的理論意義深遠(yuǎn)，它不僅關(guān)乎材料科學(xué)的進步，還涉及到資源循環(huán)利用、環(huán)境保護以及可持續(xù)發(fā)展等多個層面。

2試驗

2.1原材料

本次制備超高性能混凝土所用到的膠凝材料包括水泥、粉煤灰、硅灰以及部分陶瓷拋光廢料。其中水泥為山東菖州水泥有限公司生產(chǎn)的強度等級為 P.052.5 的普通硅酸鹽水泥，粒徑中值為 8.16μm 。陶瓷拋光廢料購自山東淄博某陶瓷制品有限公司，粒徑中值為10.32μm 。試驗所用到的粉煤灰粒徑中值為13.68μm ，硅灰比表面積為 21m²/g 。各主要膠凝材料的化學(xué)成分見表1。

試驗所用骨料為連續(xù)級配的河砂，最大粒徑不超過 1.25mm ，確保了骨料在混凝土中的均勻分布和良好的工作性。經(jīng)檢測，河砂的含泥量低于 0.3% ，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有效保證了骨料的純凈度和質(zhì)量。試驗所選用的聚羧酸系高效減水劑，減水率高達(dá)30% ，這意味著在保持混凝土強度不變的前提下，可以大幅度減少混凝土的用水量，從而降低混凝土的水灰比，提高其強度和耐久性。

2.2配合比設(shè)計及試件制備

（1）配合比設(shè)計

試驗制備的高性能混凝土其配合比設(shè)計見表2。在保持膠凝材料總用量不變的情況下，分別使用陶瓷拋光廢料來替代 10%.20% 以及 30% 的水泥用量，10%.30% 以及 50% 的硅灰， 10% ） 30% 以及 50% 的粉煤灰（以上皆為質(zhì)量百分比）。

（2）試件制備工藝

根據(jù)配合比設(shè)計要求，精確稱量各種原材料。將稱量好的膠凝材料和骨料低速干拌 1min ，確保二者混合均勻。加入水和減水劑，低速攪拌 3min ，確?；炷恋木鶆蛐院头€(wěn)定性。將拌合均勻的混凝土倒入模具中，注意控制澆注速度和厚度，確?；炷脸浞痔畛淠＞呖臻g。在澆注過程中對混凝土進行振實，以排出其中的空氣，確?；炷猎嚰拿軐嵍?。澆注完成后對試件進行固化養(yǎng)護。養(yǎng)護過程中應(yīng)在試件表面覆蓋保鮮膜，防止早期水分流失。

2.3試驗方法

參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2019）對不同配合比、不同齡期（3d、7d、28d以及56d）混凝土試件的抗壓強度和抗折強度進行測試。試件抗壓強度計算公式如下：

公式中的 f_cc 為試件抗壓強度，單位為 MPa ;F為試件破壞時所遭受的荷載，單位為N；A為試件的承壓面積，單位為 mm² 。試件抗壓強度最終結(jié)果為三組平行試件所測試結(jié)果的平均值。

試件抗壓強度計算公式如下：

公式中 f_f 為試件抗折強度，單位為 MPa ;F為試件破壞時所遭受的荷載，單位為N；1為支座間的跨度，單位為 mm;b 為試件截面寬度，單位為 mm ;h為試件截面高度，單位為 mm 。試件抗折強度最終結(jié)果為三組平行試件所測試結(jié)果的平均值。

3試驗結(jié)果與分析

將陶瓷拋光廢料分別取代 10%.20% 以及 30% 的水泥后，測試混凝土試件抗折以及抗壓強度，試驗結(jié)果如圖1所示。整體來看，隨著養(yǎng)護齡期的增加，各組試件抗折與抗壓強度逐漸上升。與空白組對比，隨著陶瓷拋光廢料摻入量的增大，不同齡期試件的抗折與抗壓強度均出現(xiàn)明顯降低，且養(yǎng)護28天后強度有持續(xù)上升的趨勢。這說明陶瓷拋光廢料的加入，參與水化反應(yīng)水泥的數(shù)量有所降低，相同養(yǎng)護齡期試件強度降低的同時也延緩了強度高峰的到來。從圖1中還可以看出，陶瓷拋光廢料摻入量達(dá)到 20% 時，與空白組相比，養(yǎng)護28天后試件的抗折與抗壓強度分別下降了 17.7% 與110% ，但抗折強度超過了 14MPa ，而抗壓強度也超過120MPa 。試件依然表現(xiàn)出較高的力學(xué)性能。

硅灰顆粒細(xì)小，比表面積大，具有 SiO₂ 純度高、高火山灰活性等物理化學(xué)特點。當(dāng)硅灰作為礦物外加劑加入混凝土中時，能夠填充水泥顆粒之間的空隙，形成更加密實的混凝土結(jié)構(gòu)，提高混凝土的力學(xué)性能以及耐久性能5。用陶瓷拋光廢料替代不同比例硅灰后，混凝土試件力學(xué)的性能如圖2所示。整體來看，陶瓷拋光廢料替代硅灰顯著降低了混凝土試件的力學(xué)性能。當(dāng)硅灰替代率為 10% 時，在水化反應(yīng)初期，試件的抗折和抗壓強度降低并不明顯。而隨著養(yǎng)護時間的增加，試件的力學(xué)性能明顯低于空白組試件力學(xué)性能。當(dāng)硅灰替代率持續(xù)增加時，混凝土試件在各個時期的力學(xué)性能均出現(xiàn)較大幅度的降低，最終嚴(yán)重影響了混凝土試件的抗折和抗壓強度。

化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，這些新生成的水化產(chǎn)物能夠增強混凝土的強度。此外，粉煤灰的微集料效應(yīng)可以填充混凝土中的微觀空隙，提高混凝土的密實度，從而進一步增強強度。使用陶瓷拋光廢料替代不同比例粉煤灰后，混凝土試件力學(xué)的性能如圖3所示。整體來看，替代粉煤灰后試件的力學(xué)性能并沒有出現(xiàn)大幅度降低。甚至在替換 10% 的粉煤灰后，試件的抗折和抗壓強度反而在一定程度上有了提升。與空白組相比，養(yǎng)護28天后 10% 替代率試件的抗折強度由17.6MPa增加到 18.2MPa ，提升了 3.4% 。而抗壓強度則由135.9MPa 增加到 136.7MPa ，提升了 0.5% 。隨著粉煤灰替代率的進一步提升，試件力學(xué)性能開始出現(xiàn)小幅度降低，但即使粉煤灰替代率達(dá)到 50% 時，混凝土試件的抗折和抗壓強度依然超過了 16MPa 和 120MPa 。這主要是由于陶瓷拋光廢料的活性與粉煤灰活性具有較高的相似度，且在粒度特征上陶瓷拋光廢料甚至要小于粉煤灰。當(dāng)粉煤灰替代率較低時，在一定程度上能促進膠凝材料水化的進程，而當(dāng)粉煤灰替代率繼續(xù)提升時，試件的孔隙率出現(xiàn)進一步增大的趨勢，這在客觀上導(dǎo)致了試件的力學(xué)性能出現(xiàn)小幅度下降。

4結(jié)論

1）雖然將陶瓷拋光廢料以 10% ） 20% 及 30% 比例替代水泥后，混凝土試件的抗折與抗壓強度隨摻入量增加而降低。但即使當(dāng)摻入量達(dá)到 20% 時，養(yǎng)護28天后的試件仍保持了較高的力學(xué)性能，抗折強度超過14MPa ，抗壓強度超過 120MPa 。

2）使用陶瓷拋光廢料以 10% 、 30% 及 50% 比例替代硅灰后，混凝土試件的力學(xué)性能呈現(xiàn)顯著降低趨勢，對試件的抗折和抗壓強度產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。

3）使用陶瓷拋光廢料以 10%.30% 及 50% 比例替代粉煤灰后，混凝土試件的力學(xué)性能并未出現(xiàn)顯著降低。且在替代率為 10% 時，試件的抗折和抗壓強度反而有小幅提升。盡管隨著替代率的進一步增加，試件力學(xué)性能出現(xiàn)小幅度降低，但即便替代率高達(dá) 50% ，試件的抗折和抗壓強度仍保持在較高水平。

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